由鄭，任旭虎，劉松卓，王瀚林，趙雪陽(yáng)

（中國(guó)石油大學(xué)（華東）海洋與空間信息學(xué)院，山東青島 266580）

隨著城市的發(fā)展，地下金屬管線的鋪設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，長(zhǎng)期埋在地下的金屬管線由于內(nèi)腐蝕和外腐蝕導(dǎo)致防腐層損壞而引發(fā)管線泄露，造成經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[1]。因此，在管線破損時(shí)，如何選用一種快速有效的方法確定管線的位置以及可能存在的多處泄露點(diǎn)成為了亟待解決的問(wèn)題。

多頻管中電流法（PCM）因設(shè)備性能優(yōu)良、操作簡(jiǎn)單，已成為地下金屬管線探測(cè)中最常用的方法之一[2-3]。目前市面上常見(jiàn)的PCM 檢測(cè)系統(tǒng)大多依賴進(jìn)口，英國(guó)雷迪公司的RD4000 和RD8000 一直活躍在國(guó)內(nèi)各檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，其價(jià)格昂貴且技術(shù)支持困難[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)地下管線探測(cè)的相關(guān)研究都處于初始階段，主要有秦傲公司的GXY-2000/3000 型地下管線探測(cè)系統(tǒng)；南通萬(wàn)能檢測(cè)儀有限責(zé)任公司的SL480；陳旭提出一種可伸縮的三點(diǎn)式“T”形檢測(cè)模式，設(shè)計(jì)出一種新型地下管線探測(cè)系統(tǒng)；李若曦對(duì)管線探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，得出電磁管線探測(cè)系統(tǒng)在埋深1.5 m 范圍內(nèi)埋深精度可達(dá)±0.15 m 的結(jié)論[5-7]。相對(duì)于國(guó)外，國(guó)內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)整體性能不高、精度低，功能實(shí)現(xiàn)效果差。

針對(duì)上述問(wèn)題，該文基于多頻管中電流法（PCM），研制了一款工作頻率可選、接收線圈具有多種組合方式的新型地下金屬管線信號(hào)接收系統(tǒng)，以期解決此類系統(tǒng)的性價(jià)矛盾，緩解國(guó)外探測(cè)系統(tǒng)大量占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的不良現(xiàn)狀。

1 PCM工作原理

PCM 管線檢測(cè)系統(tǒng)由超大功率發(fā)射機(jī)和信號(hào)接收機(jī)兩部分組成，如圖1 所示。發(fā)射機(jī)將多頻（4 Hz、128 Hz、512 Hz）的交流信號(hào)施加在被測(cè)管線上，接收機(jī)接收管線輻射出的信號(hào)并對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行放大，通過(guò)信號(hào)處理算法對(duì)信號(hào)噪聲進(jìn)行濾波。流經(jīng)管道的交流電根據(jù)電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，信號(hào)接收電路通過(guò)測(cè)得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定磁場(chǎng)分布，并根據(jù)磁場(chǎng)的分布特征，通過(guò)定位算法測(cè)得管道的走向和深度。

圖1 多頻管中電流法示意圖

1.1 無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線在空間的磁場(chǎng)分布

當(dāng)在地下金屬管線上施加交變的電流信號(hào)后，理想情況下，管線可以簡(jiǎn)化為一根施加正弦電流的無(wú)限長(zhǎng)的直導(dǎo)線，管線的軸心會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。

管線直徑可忽略不計(jì)，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律可知：

式中：μ為土壤的磁導(dǎo)率；I為管線軸心點(diǎn)處的電流大?。籨I為管線軸心點(diǎn)處的單位管線單位長(zhǎng)度；r為管線軸心點(diǎn)到測(cè)試點(diǎn)的直線距離；dB為測(cè)試點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算，測(cè)試點(diǎn)處的磁場(chǎng)強(qiáng)度與管線軸心點(diǎn)處的電流大小成正比，與兩點(diǎn)之間的直線距離成反比。

1.2 管線定位原理

PCM 定位管線的常用方法有兩種，即峰值法和谷值法[8-9]。峰值法和谷值法示意圖如圖2 所示。峰值法根據(jù)線圈相對(duì)管線角度和距離的不同可以感應(yīng)到不同大小的磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而得到管線相對(duì)于接收系統(tǒng)的位置。線圈平行于地面且與管線垂直，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小反映出磁場(chǎng)強(qiáng)度水平分量的大小。線圈由位置1 移動(dòng)到位置2 的過(guò)程中，在位置2時(shí)線圈與管線的距離最短，穿過(guò)線圈的磁力線最多，此時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到頂峰，谷值法則與峰值法相反，線圈垂直于地面與管線，線圈由位置1 移動(dòng)到位置2 的過(guò)程中，在位置2 時(shí)線圈與管線的距離最短，穿過(guò)線圈的磁力線最少，此時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到谷值。

圖2 峰值法和谷值法示意圖

1.3 管線測(cè)深原理

二次差分測(cè)深法示意圖如圖3 所示，線圈1 和線圈2 在水平方向上分布，二次差分測(cè)深法使用兩個(gè)水平方向的線圈進(jìn)行深度的測(cè)量。

圖3 二次差分測(cè)深法示意圖

二次差分測(cè)深法計(jì)算公式如下：

式中，VH為線圈1 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；VL為線圈2 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；H為線圈2 與管線軸心之間的距離；Δh為線圈1 與線圈2 之間的距離。

1.4 管線探傷原理

找到管線的位置之后，向管線施加4 Hz 交流信號(hào)時(shí)，管線中電流的強(qiáng)度隨離發(fā)射機(jī)的距離增加而衰減，其衰減程度取決于管線及其防腐層的情況。若管線不存在破損點(diǎn)，則信號(hào)在往遠(yuǎn)處傳播的過(guò)程中會(huì)呈現(xiàn)穩(wěn)定的衰減狀態(tài)；若管線存在破損點(diǎn)，則電流大部分從破損點(diǎn)流進(jìn)土壤，在該點(diǎn)正上方所測(cè)到的管線電流信號(hào)會(huì)出現(xiàn)驟減[10-11]。

2 需求分析及總體方案設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

地下金屬管線周?chē)嬖陔娏€等其他管線，會(huì)對(duì)信號(hào)接收帶來(lái)大量噪聲。系統(tǒng)需要在強(qiáng)噪聲環(huán)境下采集管線輻射出的微弱的多頻信號(hào)，因此，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)靈敏的信號(hào)接收裝置，用于采集微弱信號(hào)，并需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理，再經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換將信號(hào)送入主控單片機(jī)。同時(shí)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，方便使用者操作。

在定位管線過(guò)程中，峰值法僅依靠一個(gè)極大值點(diǎn)即可定位管線走向，但定位結(jié)果不準(zhǔn)確，存在較大誤差。谷值法依靠?jī)蓚€(gè)極大值點(diǎn)之間的極小值點(diǎn)來(lái)定位管線走向，定位結(jié)果準(zhǔn)確、誤差小，但尋找三個(gè)特征點(diǎn)操作繁瑣，依賴使用者的操作經(jīng)驗(yàn)。因此，系統(tǒng)選定峰值法和谷值法聯(lián)合的定位方案，先采用峰值法確定管線大致走向，再采用谷值法精確定位管線走向。二次差分測(cè)深法作為定位深度方案，其接收傳感器如圖4 所示。

圖4 接收傳感器

2.2 PCM信號(hào)接收系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路部分主要包括信號(hào)接收模塊、預(yù)放大模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、程控放大模塊、主控模塊（STM32 單片機(jī)）、A/D 采集模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊。系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)總體硬件系統(tǒng)方案

2.2.1 預(yù)放大模塊

接收到的信號(hào)一般都是微伏級(jí)別的信號(hào)[10-11]，且其中還存在大量的干擾信號(hào)，故需對(duì)信號(hào)作200 倍預(yù)放大，預(yù)放大電路如圖6 所示。

圖6 預(yù)放大電路

AD8227 儀表運(yùn)算放大器，其具有5～1 000 的放大增益，通過(guò)R1可變換增益，其增益公式如下：

式中，G為放大增益；RG為控制放大增益的外接電阻。外接電阻為412 Ω，其增益為200。

2.2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

NJM5532 是高性能、低噪聲的雙路運(yùn)算放大器，具有良好的噪聲性能、較寬的功率帶寬，且價(jià)格優(yōu)惠、使用范圍廣，因此，系統(tǒng)使用NJM5532 搭建信號(hào)調(diào)理電路?？臻g中存在一定量高頻分量信號(hào)的干擾，且地下管線周?chē)嬖诟邏狠旊娋€，接收的磁場(chǎng)信號(hào)會(huì)有大量的50 Hz 工頻干擾，因此，設(shè)計(jì)了1 kHz 的低通濾波器設(shè)計(jì)、陷波器電路。系統(tǒng)接收到的信號(hào)為用于探傷的4 Hz 甚低頻信號(hào)和用于定位的128 Hz、512 Hz 等信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)低通濾波和高通濾波電路分別對(duì)兩種信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

2.2.3 程控放大模塊

線圈接收到的信號(hào)在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后幅值太小，若將信號(hào)直接進(jìn)行A/D 采樣，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，因此，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行二次放大。且由于線圈接收到信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)隨著線圈與管線之間距離的增加而迅速衰減。如果設(shè)置固定的放大倍數(shù)，則容易導(dǎo)致進(jìn)入A/D 采樣模塊的信號(hào)幅值太小。所以二次放大應(yīng)采用可編程放大器。

PGA281 是一款可實(shí)現(xiàn)程控增益的高精度儀表放大器，該芯片擁有較高的輸入阻抗，可以單端輸入，差分輸出。如圖7 所示，可通過(guò)控制G0-G3 對(duì)信號(hào)進(jìn)行0.125～176 倍的增益調(diào)整。

圖7 程控放大電路

2.2.4 A/D采集模塊

系統(tǒng)共用三個(gè)線圈，經(jīng)過(guò)程控放大后的信號(hào)是差分信號(hào)，共6 路信號(hào)，需同步采集，單片機(jī)內(nèi)部ADC 精度低且幅值最高僅為3.3 V，不滿足該系統(tǒng)需求。因此，系統(tǒng)采用的是18 位電荷再分配逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD7608，可支持8 路同步采樣差分輸入[12]。其電路如圖8 所示，將采集的數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算得到管線的位置信息。

圖8 A/D采集模塊電路

2.2.5 主控模塊

綜合該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，采用ST 公司設(shè)計(jì)的STM32F103 系列單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，以Cortex-M3 內(nèi)核作為硬件架構(gòu)，其功耗低，并且具有性價(jià)比高、運(yùn)行速度快、尋址方式靈活、執(zhí)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)部集成64 K 字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器，高達(dá)20 K 字節(jié)的SRAM，且其支持直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)，不需要依賴CPU 的大量中斷負(fù)載，且其有豐富的I/O接口，滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求[13]。

2.3 PCM信號(hào)接收系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)最終需實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)噪聲環(huán)境下采集管線輻射出的微弱多頻信號(hào)，并對(duì)管線進(jìn)行定位、測(cè)深和探傷。系統(tǒng)軟件由主程序和七大模塊化子程序構(gòu)成，其子程序包括初始化程序、A/D 轉(zhuǎn)換程序、程控放大程序、卡爾曼最優(yōu)估計(jì)程序、管線定位測(cè)深程序、管線探傷程序。軟件總體流程圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)軟件總體流程圖

先對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。通過(guò)卡爾曼濾波算法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，得到估計(jì)后的信號(hào)求其均方根，最后得到信號(hào)的幅值。若信號(hào)幅值過(guò)小或過(guò)大，則控制PGA281 將信號(hào)調(diào)理為正常幅值，用于后續(xù)管線定位算法；檢測(cè)到管線位置后，系統(tǒng)處于管線正上方時(shí)，再進(jìn)行探傷算法。

2.3.2 卡爾曼最優(yōu)估計(jì)

卡爾曼濾波是使用線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程，通過(guò)系統(tǒng)的輸入和輸出觀察數(shù)據(jù)，以最佳地估計(jì)系統(tǒng)的狀態(tài)。因觀測(cè)的數(shù)據(jù)包括噪聲和干擾，故最佳估計(jì)也可以視為濾波過(guò)程[14]。該算法易實(shí)現(xiàn)，適用范圍廣，并且可以實(shí)時(shí)處理采集到的數(shù)據(jù)，該算法已在數(shù)字信號(hào)處理等多種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

卡爾曼最優(yōu)估計(jì)在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)建立信號(hào)量和狀態(tài)量的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，堅(jiān)持實(shí)際值與估計(jì)值之間均方誤差最小的準(zhǔn)則，使得處理對(duì)象的估計(jì)值逐漸逼近實(shí)際值，進(jìn)而提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度?？柭鼮V波算法遞推步驟如下[15-17]：

1）狀態(tài)預(yù)測(cè)：

2）誤差矩陣預(yù)測(cè)：

3）卡爾曼增益計(jì)算：

4）狀態(tài)校正：

5）誤差矩陣更新：

式中，xk為k時(shí)刻的估計(jì)狀態(tài)；A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Pk為k時(shí)刻的誤差協(xié)方差矩陣；Q為預(yù)測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣；Kk為k時(shí)刻卡爾曼增益；H為觀測(cè)矩陣；R為測(cè)量噪聲協(xié)方差矩陣；zk為k時(shí)刻觀測(cè)值；I為單位矩陣。

2.3.3 管線定位測(cè)深程序

將三個(gè)呈“工”字型擺放的線圈作為接收傳感器的定位方案[18]，圖4 中線圈1 和線圈2 用于測(cè)量管線深度，線圈3 用于定位管線走向。定位測(cè)深程序流程如圖10 所示，先對(duì)采集到的信號(hào)求平均，判斷線圈2 和線圈3 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向，設(shè)置一個(gè)閾值，將線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與閾值進(jìn)行比較，從而判斷管線相對(duì)系統(tǒng)位置。

圖10 管線定位和測(cè)深流程

通過(guò)計(jì)算圖4 中的線圈1 和線圈2 的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)式（2）可計(jì)算出管線的深度。

2.3.4 PCM信號(hào)接收系統(tǒng)人機(jī)交互界面

該系統(tǒng)人機(jī)交互主要通過(guò)組態(tài)串口屏和按鍵實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后，進(jìn)入系統(tǒng)初始化界面。通過(guò)“管線定位”按鍵進(jìn)入埋地管線定位界面，界面中顯示當(dāng)前管線與該系統(tǒng)的相對(duì)位置。在確保該系統(tǒng)位于管線正上方時(shí)，可由界面上的深度顯示得知埋地管線的深度。通過(guò)“腐蝕點(diǎn)檢測(cè)”按鍵進(jìn)入管線腐蝕檢測(cè)界面，界面中顯示接收信號(hào)的波形，信號(hào)幅值驟減，系統(tǒng)開(kāi)始警告出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)。在進(jìn)行管線腐蝕檢測(cè)前，需要先確定管線位置，沿管線走向方向進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)“數(shù)據(jù)存儲(chǔ)”按鍵可查看存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)人機(jī)交互界面

3 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)搭建的模擬管線施加4 Hz 和128 Hz 的混合信號(hào)，系統(tǒng)接收模擬管線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，利用Matlab 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證卡爾曼濾波算法的可靠性。通過(guò)組態(tài)串口屏驗(yàn)證系統(tǒng)的定位和探傷功能。

3.1 卡爾曼濾波驗(yàn)證

將采集到的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)回計(jì)算機(jī)，利用Matlab 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以系統(tǒng)位于模擬管線正上方0.6 m 處為例，將采集到的128 Hz 原始信號(hào)和卡爾曼濾波優(yōu)化信號(hào)對(duì)比進(jìn)行，結(jié)果如圖12所示。

圖12 卡爾曼濾波對(duì)比結(jié)果

經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波后的信號(hào)濾除了雜波，信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性都得以提高，可用于后續(xù)定位算法和探傷算法。

3.2 功能測(cè)試

上位機(jī)選用中科世為串口屏，其串口屏功能強(qiáng)大、運(yùn)算能力強(qiáng)，可有效緩解單片機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。通過(guò)Flythings 軟件進(jìn)行上位機(jī)界面開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)信號(hào)接收正常，管線定位檢測(cè)和腐蝕點(diǎn)檢測(cè)功能正常。

系統(tǒng)的深度測(cè)試結(jié)果如表1 所示，其深度測(cè)試誤差率在5%以內(nèi)，系統(tǒng)可以有效地檢測(cè)出模擬管線的位置。

表1 測(cè)試結(jié)果

在管線腐蝕點(diǎn)檢測(cè)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)模擬管線進(jìn)行幅值衰減。腐蝕點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果如圖13 所示，約1.7 s 時(shí)信號(hào)幅值衰減超過(guò)某一閾值，信號(hào)接收系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕點(diǎn)預(yù)警，可以有效地判斷出管線可能存在的腐蝕點(diǎn)。

圖13 腐蝕點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了基于PCM 地下金屬管線信號(hào)接收系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)開(kāi)發(fā)。經(jīng)過(guò)綜合測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)的合理性和功能性，且系統(tǒng)成本低、操作簡(jiǎn)單。由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，該系統(tǒng)的探測(cè)范圍較窄，當(dāng)系統(tǒng)距離管線超過(guò)一定范圍時(shí)，檢測(cè)的結(jié)果誤差率較大，系統(tǒng)還需進(jìn)一步優(yōu)化和完善。